ttq1 chuong 5

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNGBÀI GIẢNG

KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANGKỸ THUẬT THÔNG TIN QUANGFundamental of Optical Fiber Communications

Giảng viên: Th.S Đỗ Văn Việt Em - Th.S Phạm Quốc HợpBộ môn: Thông Tin Quang – Khoa Viễn thông 2ộ g Q g gEmail: [email protected], [email protected]

KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

CHƯƠNG 5

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANGHỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 2

NỘI DUNG CHƯƠNG 5

• Hệ thống TTQ sốHệ thống TTQ số• Hệ thống TTQ tương tự• Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh• Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh


Hệ Thống TTQ Số

• Tuyến điểm nối điểmTuyến điểm nối điểm là loại kiến trúc đơn giản nhất của hệ hố hô ihệ thống thông tin quangChuyển tải thông tin dạng luồng số bit từ một nơi này đến một nơi khác một cách chính xác nhất có thể đượcđến một nơi khác một cách chính xác nhất có thể đượcChiều dài tuyến có thể thay đổi từ nhỏ hơn 1 km (cự ly ngắn) đến hàng ngàn km (cự ly dài) tùy thuộc vào ứng dụngCần thiết phải bù đắp các suy hao trong sợi quang



• Tuyến điểm nối điểm (tt)Bù suy hao định kỳ bằng cách: (a) sử dụng các trạm tái

à (b) ử d kh ế h đ itạo và (b) sử dụng khuếch đại quang. Bộ thuTrạm tái tạoBộ phát Trạm tái tạo

RxRx TxTx Rx Tx

(a)(a)

Bộ thuBộ khuếch đạiBộ phát Bộ khuếch đại

RxTx


(b)


• Yêu cầu của hệ thống là tốc độ bit BT và khoảng cách truyền dẫn L. Tiêu chuẩn chất lượng được xác đị h hô ỉ lệ bi lỗi BER h ờ iá ị iêđịnh thông qua tỉ lệ bit lỗi BER, thường giá trị tiêu biểu là BER < 10-9

Một ố ấ đề t thiết kế hệ thố TTQ• Một số vấn đề trong thiết kế hệ thống TTQẢnh hưởng của suy hao đến hệ thống TTQẢnh hưởng của tán sắc đến hệ thống TTQẢnh hưởng của tán sắc đến hệ thống TTQQuỹ công suất quangQuỹ thời gian lênQuỹ thời gian lên


Hệ Thống TTQ SốẢnh hưởng của suy hao đến hệ thống TTQ

• khoảng cách truyền dẫn lớn nhất được giới hạn bởi

ó

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

r

t

f PP

aL 10log10

Trong đó:» Pt (mW) là công suất phát trung bình của Tx» Pr (mW) là độ nhạy máy thu hoạt động ở tốc độ bit BT

» (dB/Km) là suy hao trung bình của sợi quang bao gồm cả suy hao các mối hàn và các các connector

• Nhiều vần đề cần phải được đề cập khi thiết kế một hệ thống thô ti thự tế ự lự h bướ ó lự h á

fa

thông tin quang thực tế: sự lựa chọn bước sóng, lựa chọn máy phát, máy thu thích hợp và sợi quang


Hệ Thống TTQ SốẢnh hưởng của tán sắc đến hệ thống TTQ

• Tán sắc sợi quang làm giới hạn đại lượng tích BTL

• Đối với sợi đa mode SI: BTL = C/(2n1Δ)• Đối với sợi đa mode GI: BTL = 2C/(n1Δ2)

• Đối với sợi đơn mode: – Ở vùng 1310nm: có tán sắc nhỏ nhất, độ lớn tán sắc chủ yếu phụ

ổthuộc vào độ rộng phổ nguồn quang. Tích BTL bị giới hạn như sau:

khi |M| 2 /k tá ắ iới h B L ≤ 125 (Gb/ ) k

( ) 14 −≤ λσMLBT

» khi |M|σλ = 2ps/km, tán sắc giới hạn BTL ≤ 125 (Gb/s).km. Nói chung, các hệ thống như vậy là bị giới hạn bởi suy hao khi tốc độ bit lên đến 1Gb/s, nhưng bị giới hạn bởi tán sắc đối với tốc độ bit cao hơnộ


Hệ Thống TTQ SốẢnh hưởng của tán sắc đến hệ thống TTQ (tt)

– Ở vùng 1550nm:» có suy hao nhỏ nhất.» có suy hao nhỏ nhất.» Tán sắc là vấn đề lớn. Cần sử dụng các laser bán dẫn đơn

mode để khắc phục vấn đề này. » Bị giới hạn bởi tán sắc khi BT > 5Gb/s. Ví dụ: với M = 16 ị g ạ T / ụ

ps/(nm.km) và σλ = 0,1 nm, ta có BTL ≤ 150 (Gb/s).km. » Một giải pháp cho vấn đề tán sắc là sử dụng sợi quang dịch

chuyển tán sắc, sợi có cả suy hao và tán sắc nhỏ nhất ở cửa ổ 1550 ( ó thể h t độ ở tố độ 20 Gb/ ới kh ảsổ 1550nm (có thể hoạt động ở tốc độ 20 Gb/s với khoảng

khuếch đại khoảng 80 km)


Hệ Thống TTQ SốMinh họa Suy hao (các đường liền nét) và tán sắc (các đường không liên tục) giới hạn cự ly truyền dẫn L

các

h (k

m)

Khoản

g


Hệ Thống TTQ SốQuỹ công suất

• Mục đích của quỹ công suất là bảo đảm công suất đến máy thu đủ lớn để duy trì hoạt động tin cậy trong suốt thời gian sốngđủ lớn để duy trì hoạt động tin cậy trong suốt thời gian sống của hệ thống.

• Quỹ công suất thường được tính theo đơn vị decibel (dB)

Trong đó:P (dB ) là ô ất hát S (dB ) là độ h ủ á th

sLt MASP ++= spliceconfL LA ααα ++=

» Pt (dBm) là công suất phát; S (dBm) là độ nhạy của máy thu» AL (dB) là suy hao kênh tổng cộng» MS (dB) là độ dự phòng hệ thống, thường ~ 4-6 dB

à là h á t à h á ối hà» αcon và αsplice là suy hao các connector và suy hao các mối hàn dọc theo tuyến sợi quang (dB); αf là suy hao trung bình của sợi quang (dB/km)

• Tìm khoảng cách truyền lớn nhất với các linh kiện cho trước• Tìm khoảng cách truyền lớn nhất với các linh kiện cho trước.


Hệ Thống TTQ SốQuỹ thời gian

• Mục đích của quỹ của thời gian lên là bảo đảm rằng hệ thống có khả năng hoạt động đúng ở tốc độ bit mong muốnkhả năng hoạt động đúng ở tốc độ bit mong muốn

• Thời gian lên tổng cộng của tòan hệ thống TTQ:

2/12222 )( TTTT ++=

» Trong đó Ttr, Tfiber và Trec là các thời gian lên tương ứng với á hát ợi à á th

)( recfibertrr TTTT ++=

máy phát, sợi quang và máy thu


Hệ Thống TTQ SốQuỹ thời gian (tt)

• Thời gian lên của máy phát Ttr được xác định chủ yếu bởi các thành phần điện tử của mạch điều khiển và các phần tử ký sinhthành phần điện tử của mạch điều khiển và các phần tử ký sinh điện liên quan đến nguồn quang. Thường Ttr khoảng vài nano giây đối với máy phát sử dụng LED, nhưng có thể nhỏ hơn 0.1 ns đối với máy phát sử dụng laser.y p ụ g

• Thời gian lên của máy thu Trec được xác định chủ yếu bởi dải thông điện 3 dB sau tách quang.



• Thời gian lên của sợi quang Tfiber được tính theo công thức:

ó

22mod

2chrefiber TTT +=

Trong đó» T mode là tán sắc mode

LT )/( Δ LT )8/( 2ΔSợi SI: ; Sợi GI:

» Tchr là tán sắc màu trong sợi quang

LcnT e )/( 1mod Δ≈ LcnT e )8/( 21mod Δ≈

λσLMTchr ≈

» Đối với sợi đơn mode T mode = 0 và Tfiber = Tchr. σλ là độ rộng phổ của nguồn quang (độ rộng nửa công suất).



• Ta xét một ví dụ minh họa quỹ thời gian lên. Xét hệ thống hoạt động ở bước sóng 1,3 µm được thiết kế để hoạt động ở tốc độ 1động ở bước sóng 1,3 µm được thiết kế để hoạt động ở tốc độ 1 Gb/s trên sợi đơn mode với khoảng trạm lặp là 50km. Thời gian lên cho máy phát và máy thu được xác định là Ttr = 0,25 ns và Trec = 0,35 ns. Độ rộng phổ của nguồn quang là σλ = 3nm, hệ số rec , ộ ộ g p g q g λ , ệtán sắc màu là 2ps/(nm.km) tại bước sóng công tác. Tính được Tchr = 0,3 ns cho chiều dài tuyến L = 50 km. Tán sắc mode trong sợi đơn mode Tmode = 0. Suy ra Tfiber = 0,3 ns. Thời gian ê ủ ệ ố ằ ậ é ệ ố àlên của hệ thống bằng Tr = 0,524 ns. Nhận xét: hệ thống này không thể hoạt động ở tốc độ 1Gb/s khi sử dụng mã RZ cho tín hiệu quang. Tuy nhiên nếu sử dụng mã NRZ, hệ thống sẽ hoạt độ đượ Nế ã RZ đượ ê ầ t ướ ười thiết kế hảiđộng được. Nếu mã RZ được yêu cầu trước, người thiết kế phải chọn máy phát và máy thu khác để đáp ứng quỹ thời gian lên. Mã NRZ thường được sử dụng vì nó cho phép quỹ thời gian lên lớn hơn ở cùng một tốc độ bitlớn hơn ở cùng một tốc độ bit.


Hệ Thống TTQ Tương Tự

• Cấu trúc nguyên lý hệ thống thông tin quang tổng quát cho truyền dẫn số hoặc analog

Bộ mã hóa / Bộ giải mã /

Thông tin vào Thông tin ra

Bộ mã hóa / Mạch định dạng tín hiệu

Bộ giải mã /Giải điều chế

Thành phần điện

Điều chế Bộ khuếch đại

Nguồn quang Môi trường truyền dẫn: quang Bộ tách sóng quang

Đầu phát Thành phần quang Đầu thu


Hệ Thống TTQ Tương TựPhía đầu phát: bộ mã hoá (encoder) hoặc bộ định dạng tín hiệu (signal shaping) trước khi đưa qua tầng điều chế hay khuếch đại để kích hoạt động cho nguồn quanghay khuếch đại để kích hoạt động cho nguồn quang (optical source).Sợi quang: đóng vai trò môi trường truyền dẫn của hệ thống.Phía đầu thu: ánh sáng đến đầu bên kia của sợi quang được chuyển đổi trở lại thành tín hiệu điện bằng bộ táchđược chuyển đổi trở lại thành tín hiệu điện bằng bộ tách sóng quang (optical detector) được đặt ở ngõ vào của thiết bị thu. Tín hiệu điện này sau đó được khuếch đại ớ khi đ bộ iải ã (d d ) h bộ iải điềtrước khi đưa qua bộ giải mã (decoder) hay bộ giải điều

chế (demodulator) để khôi phục lại tín hiệu gốc ban đầu


Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh

• Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM• Ghép kênh theo bước sóng WDM• Ghép kênh sóng mang phụ SCM

www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐÔ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBÔ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 18


• Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDMNhiều tín hiệu quang có tốc độ bit BT chia sẻ cùng tần sốó à đ hé iề để h ỗisóng mang và được ghép trong miền quang để tạo chuỗi

bit có tốc độ NB, với N là số kênh

Cấu trúc bộ phát OTDM dựa trên các sợi dây trễ quangCấu trúc bộ phát OTDM dựa trên các sợi dây trễ quang



• Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDMMột laser có thể tạo ra chuỗi xung một cách có chu kỳ ở ố độ bằ ới ố độ bi B ủ ộ kê h T hiêtốc độ bằng với tốc độ bit BT của một kênh. Tuy nhiên,

laser sẽ tạo ra các xung có độ rộng Tp sao cho Tp < TB = 1/NBT để đảm bảo mỗi xung vừa với vị trí của nó ở khe/ T g ịthời gian TB.Ghép N chuỗi bit được thực hiện bằng kỹ thuật làm trễ. Chuỗi bit của nhánh thứ n được làm trễ một lượng (nChuỗi bit của nhánh thứ n được làm trễ một lượng (n-1)/(NBT), n = 1, 2, …, N. Ngõ ra của tất cả các nhánhđược tổ hợp lại để tạo tín hiệu ghép



• Ghép kênh theo bước sóng WDMGhép kênh theo bước sóng là thực hiện truyền nhiềub ớ ó ( ó ) ê ù ộ ibước sóng (sóng mang quang) trên cùng một sợi quang, mà mỗi bước sóng được điều chế từ các chuỗi bit (dướidạng điện) khác nhauạ g ệ )

Tx 1 Tx1

Tx 2 Tx2

Sợi quang

Tx N TxN


Ghép kênh Tách kênh


• Ghép kênh theo bước sóng WDMGiả sử hệ thống này ghép N kênh, mỗi kênh có tốc độbi ứ là B B B đ ề ù lúbit tương ứng là BT,1, BT,2, … BT,N được truyền cùng lúctrên sợi quang có chiều dài L thì tích BTL tổng cộng củatuyến là:y

BTL = (BT,1 + BT,2 +… + BT,N )L

Nếu N kênh này có tốc độ bằng nhau thì dung lượng của hệ thống tăng lên N lầnhệ thống tăng lên N lần



• Ghép kênh sóng mang phụ SCMKhái niệm ghép kênh sóng mang phụ SCM ở đây là

ừ ô hệ i b ó ử d hiề ómượn từ trong công nghệ vi ba, nó sử dụng nhiều sóngmang viba để truyền nhiều kênh (ghép kênh theo tần sốFDM trong miền điện). Băng thông tổng cộng bị giới hạng ệ ) g g g ộ g ị g ạkhoảng 1GHz khi cáp đồng trục được sử dụng để truyềnnhiều tín hiệu viba. Tuy nhiên, nếu tín hiệu viba đượctruyền trên sợi quang thì băng thông của tín hiệu có thểtruyền trên sợi quang thì băng thông của tín hiệu có thểdễ dàng vượt qua 10GHz trên một sóng mang quang. Cơchế như vậy được gọi là SCM.

ểSự kết hợp giữa SCM và WDM có thể tăng băng thônglên đến 1 THz



• Ghép kênh sóng mang phụ SCM

Sơ đồ minh họa ghép kênh sóng mang phụ. Nhiều sóng mang phụ viba (SC) được điều chế, và tín hiệu ghép trong miền điện được sử dụng để điều chế quang ở bộ phát (Tx)được sử dụng để điều chế quang ở bộ phát (Tx)


ttq1 chuong 5

Technology